DE10017280A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine beschrieben. Mittels wenigstens eines Modells wird eine Sauerstoffmenge (MO22), die in die Brennkraftmaschine strömt, ausgehend von wenigstens einer Stellgröße und wenigstens einer Meßgröße, die den Zustand der Luft in einem Ansaugrohr charakterisiert, bestimmt. Ausgehend von wenigstens einer Temperaturgröße (T2), einer Druckgröße (P2), einer Drehzahlgröße (N), einer Kraftstoffmengengröße (ME) und einer Luftgröße (ML21) wird die Sauerstoffmenge (MO22) bestimmt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung einer Brennkraftmaschine.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer
Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE 197 56 619
bekannt. Dort wird ein System zum Betreiben einer Brenn
kraftmaschine insbesondere in einem Kraftfahrzeug beschrie
ben, bei dem die Luft über eine in einem Ansaugrohr angeord
nete Drosselklappe einem Brennraum zugeführt wird, wobei der
Mengenstrom über die Drosselklappe ermittelt wird. Dabei ist
in einer Abgasrückführleitung ein Ventil angeordnet, wobei
der Mengenstrom über das Ventil in der Abgasrückführleitung
ebenfalls ermittelt wird. Ausgehend von den beiden Luftmen
genströmen wird der Luftmengenstrom in den Brennraum be
stimmt. Problematisch bei dieser Einrichtung ist es, daß
verschiedene Größen, die zur Berechnung benötigt werden, nur
schwer mittels Sensoren erfaßt werden können. Nachteilig ist
daher, daß eine große Anzahl von Sensoren zur Erfassung der
verschiedenen Größen erforderlich sind.
Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist es möglich, die
Sauerstoffmenge, die in die Brennkraftmaschine strömt, zu
bestimmen. Dabei sind lediglich einige wenige Meßgrößen er
forderlich, die mittels einfacher, billiger Sensoren leicht
erfaßbar sind. Desweiteren werden Größen verwendet, die bei
der Steuerung der Brennkraftmaschine intern im Steuergerät
vorliegen.
Als Meßgröße werden wenigstens eine Drehzahlgröße (N), die
die Drehzahl der Brennkraftmaschine charakterisiert, eine
Ladelufttemperatur (T2), die die Temperatur in dem Ansaug
rohr charakterisiert, und/oder ein Ladedruck (P2), der den
Druck in dem Ansaugrohr charakterisiert, verwendet.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbil
dungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn
zeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen Fig. 1
eine schematische Darstellung der Brennkraftmaschine samt
Luftsystem und die Fig. 2 ein Modell zur Bestimmung der
Sauerstoffmenge, die in die Brennkraftmaschine strömt.
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise am
Beispiel einer Dieselbrennkraftmaschine beschrieben. Die Er
findung ist aber nicht auf die Anwendung bei Dieselbrenn
kraftmaschinen beschränkt, sie kann auch bei anderen Brenn
kraftmaschinen, insbesondere bei direkteinspritzenden Ben
zinbrennkraftmaschinen verwendet werden.
Einer Brennkraftmaschine 100 wird über eine Hochdruckfrisch
luftleitung 102 eine bestimmte Luftmenge ML22, die einen be
stimmten Sauerstoffanteil MO22 enthält, zugeführt. Die Größe
MO22 wird auch als Sauerstoffanteil vor der Verbrennung be
zeichnet. Die Luft in der Hochdruckfrischluftleitung 102 be
sitzt eine Temperatur T2 und einen Druck P2.
Über eine Niederdruckfrischluftleitung 108 gelangt die Umge
bungsluft zu einem Verdichter 106 und strömt in die Hoch
druckfrischluftleitung 102. Die Hochdruckfrischluftleitung
102 wird auch als Ansaugrohr bezeichnet. Über den Verdichter
strömt die Luftmenge ML21 mit dem Sauerstoffanteil MO21 in
die Hochdruckfrischluftleitung 102. Die Luftmenge ML21 mit
dem Sauerstoffanteil MO21, die durch die Niederdruckfrisch
luftleitung 108 strömt, entspricht der Luftmenge mit dem
entsprechenden Sauerstoffanteil, die durch den Verdichter
106 strömt. Die Luftmenge ML21, die von außen in das Ansaug
rohr strömt, wird mittels eines Luftmengenmessers 105 gemes
sen.
Von der Brennkraftmaschine 100 strömt die Luftmenge ML31 mit
dem Sauerstoffanteil MO31 in eine Hochdruckabgasleitung 110.
Die Größe MO31 wird auch als Sauerstoffanteil nach der Ver
brennung bezeichnet.
Die Abgase gelangen von der Hochdruckabgasleitung 110 über
eine Turbine 112 in eine Niederdruckabgasleitung 114, die
auch als Auspuffleitung 114 bezeichnet wird.
Die Turbine 112 treibt über eine Welle 111 den Verdichter
106 an. Mittels eines Ladersteller 113 kann der Wirkungsgrad
der Turbine und damit des gesamten Laders beeinflußt werden.
Die Vorgehensweise kann auch bei Brennkraftmaschinen ohne
Lader eingesetzt werden.
Zwischen der Hochdruckabgasleitung 110 und der Hochdruck
frischluftleitung 102 besteht eine Verbindung, die als Ab
gasrückführleitung 116 bezeichnet ist. Durch diese Abgas
rückführleitung 116 strömt die Luftmenge MA, die den Sauer
stoffanteil MOA beinhaltet. Der Querschnitt der Abgasrück
führleitung 116 ist vorzugsweise mittels eines Abgasrück
führventils 118 steuerbar.
Vorzugsweise wird die Drehzahl N an der Kurbel und/oder der
Nockenwelle der Brennkraftmaschine mittels eines Drehzahl
sensors 101 erfaßt. Desweiteren sind Mengenstellglieder 103
vorgesehen, die die einzuspritzende Kraftstoffmenge ME, die
der Brennkraftmaschine zugeführt wird, bestimmen. Hierzu
werden die Stellglieder 103 mit einem Mengensignal ME beauf
schlagt.
Zur genauen Steuerung der Brennkraftmaschine bzw. der Stell
glieder 118 und 113 sollten verschiedene der dargestellten
Größen bekannt sein. Insbesondere sollte die Sauerstoffmenge
bzw. der Sauerstoffanteil MO22, die der Brennkraftmaschine
zugeführt wird, bekannt sein. Die Sauerstoffmenge bestimmt
zusammen mit der eingespritzten Kraftstoffmenge ME die Abga
semissionen, insbesondere die Rußemissionen bei Dieselbrenn
kraftmaschinen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise werden vorzugsweise
Luftmassen verarbeitet. Es können aber auch Volumengrößen
verarbeitet werden. Im folgenden werden die Größen als Men
gengrößen bezeichnet. Die beschriebenen Größen stellen nur
eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dar. Anstelle der
beschriebenen Größen können auch andere Größen, die den be
schriebenen Größen entsprechen und/oder mit diesen über Um
rechnungsfaktoren verbunden sind, verwendet werden.
In Fig. 2 ist das Modell für das Ansaugrohr und die Ver
brennung dargestellt. Das Modell für das Ansaugrohr ist mit
200 und das Modell für die Verbrennung ist mit 210 bezeich
net. Mittels verschiedener Sensoren, die mit Kreisen darge
stellt sind, werden unterschiedliche leicht meßbare Größen
erfaßt. Dies sind der Ladedruck P2, der den Druck in dem An
saugrohr charakterisiert, die Ladelufttemperatur T2, die die
Temperatur der Luft in dem Ansaugrohr 102 charakterisiert,
die Drehzahl N der Brennkraftmaschine, die Frischluftmenge
ML21, die von außen in das Ansaugrohr 102 einströmt, sowie
die einzuspritzende Kraftstoffmenge ME. Bei der einzusprit
zenden Kraftstoffmenge ME handelt es sich vorzugsweise um
die einzuspritzende oder um die eingespritzte Kraftstoffmen
ge bzw. eine diese Kraftstoffmenge charakterisierende Größe,
wie beispielsweise die Ansteuerdauer von Injektoren und/oder
Einspritzventilen. Das Drehzahlsignal N liegt der Motor
steuerung bereits vor, da es zur Steuerung der Brennkraftma
schine verwendet wird.
Der Ladedruck P2 und die Ladelufttemperatur T2 gelangen zu
einer Luftmengenbestimmung 212. Die Drehzahl gelangt zu ei
ner Füllgradbestimmung 214 und die Luftmenge ML21 gelangt
zum einen zu einem Verknüpfungspunkt 216 und mit negativem
Vorzeichen zu einem Verknüpfungspunkt 218. Das Ausgangs
signal MM2 der Luftmengenbestimmung 212, das der Luftmenge
im Ansaugrohr entspricht, gelangt zum einen zu einem Ver
knüpfungspunkt 220, zu einem Verknüpfungspunkt 222 und zu
einer Differenzierer 224.
Das Ausgangssignal M2 der Differenzierer 224 kennzeichnet
die zeitliche Änderung der Luftmenge im Ansaugrohr. Dieses
Signal M2 gelangt mit positivem Vorzeichen ebenfalls zu dem
Additionspunkt 218.
Das Ausgangssignal E der Füllgradbestimmung 214 gelangt
ebenfalls zu dem Verknüpfungspunkt 220. Das Ausgangssignal
ML22 des Verknüpfungspunktes 220 kennzeichnet die Luftmenge,
die in die Brennkraftmaschine strömt. Dieses Signal ML22 ge
langt zum einen mit positivem Vorzeichen zum Eingang des
Verknüpfungspunkts 218 und zum anderen zu einem Verknüp
fungspunkt 226. Ferner gelangt dieses Signal ML22 bzgl. der
Luftmenge, die in die Brennkraftmaschine strömt, zu einem
Verknüpfungspunkt 250 des Verbrennungsmodells 210.
Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunkts 216 liegt ein Aus
gangssignal C einer Konstantenvorgabe. Mit dem Ausgangs
signal MO21 des Verknüpfungspunkts 216, das der Sauerstoff
menge entspricht, die in das Ansaugrohr 102 einströmt, ge
langt zu einem Verknüpfungspunkt 228. Am zweiten Eingang des
Verknüpfungspunkts 228 liegt ein Signal MOA an, das der Sau
erstoffmenge, die in der Abgasrückführleitung strömt, kenn
zeichnet. Dieses Signal MOA wird von dem Verbrennungsmodell
210 bereitgestellt. Das Ausgangssignal MO2 des Verknüpfungs
punkts 228, das die Änderung der Sauerstoffmenge in dem An
saugrohr 102 charakterisiert, gelangt zu einem Integrierer
230, an dessen Ausgang das Signal MMO2, das die Sauerstoff
menge in dem Ansaugrohr charakterisiert, anliegt.
Dieses Signal MMO2 bezüglich der Sauerstoffmenge in dem An
saugrohr gelangt als zweite Größe zu dem Verknüpfungspunkt
222. Das Ausgangssignal O22 des Verknüpfungspunkts 222, das
den Sauerstoffanteil in der Luft, die in die Brennkraftma
schine strömt, charakterisiert, gelangt zu dem Verknüpfungs
punkt 226. Am Ausgang des Verknüpfungspunkts 226 liegt das
Signal MO22 an, das die Sauerstoffmenge, die in die Brenn
kraftmaschine strömt, charakterisiert.
Dieses Signal MO22 gelangt mit negativen Vorzeichen zu dem
Verknüpfungspunkt 228 und mit positivem Vorzeichen zu einem
Verknüpfungspunkt 252 des Verbrennungsmodells 210. Das Aus
gangssignal MO31 des Verknüpfungspunktes 252, das der Sauer
stoffmenge, die aus der Brennkraftmaschine strömt, ent
spricht, gelangt zu einem Verknüpfungspunkt 254, an dessen
zweiten Eingang das Ausgangssignal des Verknüpfungspunktes
250 liegt. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunktes 250
liegt das Kraftstoffmengensignal ME. Das Kraftstoffmengensi
gnal ME gelangt ferner über einen Verknüpfungspunkt 256 mit
negativem Vorzeichen zu dem Verknüpfungspunkt 252. Im Ver
knüpfungspunkt 256 wird das Signal mit einer Konstante C2
verknüpft. Das Ausgangssignal O31 des Verknüpfungspunktes
254, das den Sauerstoffanteil in der Luft, die aus der
Brennkraftmaschine strömt, entspricht, gelangt über einen
Verknüpfungspunkt 258 zum Ausgang des Verbrennungsmodells
210. Am zweiten Eingang des Verknüpfungspunkts 256 liegt das
Ausgangssignal MA, das die Luftmenge in der Abgasrückführ
leitung charakterisiert, des Verknüpfungspunkts 218 an.
Die gesamte im Ansaugrohr vorhandene Luftmenge MM2, berech
net die Luftmengenbestimmung 212 mittels der idealen Gas
gleichung aus Ladedruck P2, der Ladelufttemperatur T2 und
dem Volumen V dem Ansaugrohr. Das Volumen wird dabei als
Konstante angesehen. Diese Luftmenge im Ansaugrohr MM2 wird
über den Differenzierer 224, der vorzugsweise als DT1-Glied
ausgebildet ist, differenziert. Somit ergibt die zeitliche
Änderung der Luftmenge M2 in dem Ansaugrohr.
Die Luftmenge ML22, die in die Brennkraftmaschine strömt,
ist proportional zur Dichte des Gases in dem Ansaugrohr und
damit proportional zur Luftmenge MM2. Der Proportionalitäts
faktor E wird als Kennlinie abhängig von der aktuellen Mo
tordrehzahl N von der Füllgradbestimmung 214 vorgegeben.
Aus der mit Hilfe des Luftmengenmessers 105 gemessenen Luft
menge ML21, der geschätzten Luftmengen ML22, die in die
Brennkraftmaschine strömt und der Änderung der Luftmenge M2
in dem Ansaugrohr berechnet der Verknüpfungspunkt 218 einen
Schätzwert für die Luftmenge MA, die durch die Abgasrück
führleitung strömt. Dies bedeutet, die Luftmenge im Ansaug
rohr wird bilanziert.
Zusätzlich zur gesamten Luftmenge MM2 in dem Ansaugrohr wird
auch die darin enthaltene Sauerstoffmenge MMO2 geschätzt.
Hierfür wird der Sauerstoffmengenstrom MO2 integriert. Der
Sauerstoffmengenstrom setzt sich aus drei Komponenten zusam
men.
Die erste Komponente ist die, über den Luftmengenmesser 105
zufließende Sauerstoffmenge MO21, diese ist proportional zur
Luftmenge ML21 die über den Luftmengenmesser strömt. Die
Proportionalitätskonstante C entspricht dem Sauerstoffgehalt
der Frischluft. Die zweite Komponente der gesuchten Sauer
stoffmenge MO22, die in die Brennkraftmaschine strömt, ist
proportional zur Luftmenge ML22, die in die Brennkraftma
schine strömt. Die Proportionalitätskonstante O22 entspricht
dem Sauerstoffanteil der Luft, die in die Brennkraftmaschine
strömt. Die Größe O22 ergibt sich als Quotient der Sauer
stoffmenge MMO2 und der Luftmenge MM2. Da der Sauerstoffmen
genstrom in die Brennkraftmaschine dem Ansaugrohr Sauerstoff
entnimmt, wird dieser Anteil mit einem negativen Vorzeichen
berücksichtigt. Die dritte Komponente ist die Sauerstoffmen
ge MOA, die über das Abgasrückführventil in das Ansaugrohr
gelangt. Dieser Sauerstoffmengenstrom ist proportional zur
Luftmenge MA, die durch die Abgasrückführleitung strömt. Die
Proportionalitätskonstante ist der Sauerstoffanteil O31, in
der Luft, die aus der Brennkraftmaschine strömt.
Um diesen Sauerstoffanteil O31, in der Luft, die aus der
Brennkraftmaschine strömt, zu bestimmen, wird das Verbren
nungsmodell verwendet. Dieses geht davon aus, daß die gesam
te eingespritzte Kraftstoffmenge verbrennt, und dabei dem
Gasgemisch im Brennraum Sauerstoff entzieht, wodurch die
Sauerstoffmenge MO22 vor Verbrennung auf die Sauerstoffmenge
MO31 nach Verbrennung reduziert wird. Kraftstoffmenge und
Reduktion der Sauerstoffmenge sind über das stöchiometrische
Verhältnis C2 zueinander proportional.
Der Sauerstoffanteil O31 nach Verbrennung ergibt sich als
Quotient des Sauerstoffmenge MO31 und der gesamten Luftmenge
die aus der Brennkraftmaschine strömt. Die Luftmenge, die
aus der Brennkraftmaschine strömt, ergibt sich als Summe aus
der Luftmenge ML22, die in die Brennkraftmaschine strömt,
und der eingespritzten Kraftstoffmenge ME.
Mittels der dargestellten Vorgehensweise wird aus einfach zu
messenden Größen die Sauerstoffmenge MO22, die in die Brenn
kraftmaschine strömt, bestimmt, wobei die Auswirkungen der
Abgasrückführung und der Sauerstoffanteil im Abgas berück
sichtigt werden. Dieser kann bei mager betriebenen Brenn
kraftmaschinen, insbesondere beim Dieselmotor, erheblich
sein.
Erfindungsgemäß wird ausgehend von wenigstens einer Tempera
turgröße T2, einer Druckgröße P2, einer Drehzahl N, einer
Kraftstoffmenge ME und einer Luftmenge ML21 die Sauerstoff
menge MO22, die in die Brennkraftmaschine strömt, bestimmt.
Die Temperaturgröße T2, charakterisiert die Temperatur der
Luft in dem Ansaugrohr. Die Druckgröße P2 charakterisiert
den Druck der Luft in dem Ansaugrohr.
Die Luftmenge MA, die durch eine Abgasrückführleitung
strömt, wird durch Bilanzieren der Luftmenge in dem Ansaug
rohr ermittelt. Die Sauerstoffmenge MMO2 in dem Ansaugrohr
wird ausgehend von wenigstens der Sauerstoffmenge MO21, die
von außen in das Ansaugrohr strömt, der Sauerstoffmenge
MO22, die in die Brennkraftmaschine strömt, und einer Sauer
stoffmenge MOA, die über die Abgasrückführleitung strömt,
bestimmt. Dabei werden die Sauerstoffmengen jeweils aus der
entsprechenden Luftmenge und dem jeweiligen Sauerstoffanteil
bestimmt.
Bei den Sauerstoffanteilen der Luftmengen, die von außen in
das Ansaugrohr strömt, handelt es sich um die Konstante C.
Der Sauerstoffanteil O31 der Luftmenge, die über die Abgas
rückführleitung strömt, wird mittels eines Verbrennungsmo
dells bestimmt. Der Sauerstoffanteil O22 der Luftmenge, die
in die Brennkraftmaschine strömt, berechnet sich aus der
Sauerstoffmenge MMO2 in dem Ansaugrohr und der Luftmenge in
dem Ansaugrohr.
Die Sauerstoffmenge MO22, die in die Brennkraftmaschine
strömt, wird ausgehend von wenigstens der Sauerstoffmenge
MMO2 in dem Ansaugrohr, der Luftmenge MM2 in dem Ansaugrohr
und der Luftmenge ML22, die in die Brennkraftmaschine
strömt, bestimmt. Die Luftmenge ML22, die in die Brennkraft
maschine strömt, wird ausgehend von wenigstens der Luftmenge
MM2 in dem Ansaugrohr und der Drehzahl N bestimmt.
Die Luftmenge MM2 in dem Ansaugrohr wird ausgehend von we
nigstens der Temperaturgröße T2 und der Druckgröße P2 be
stimmt.
Claims (10)
1. erfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, bei dem
mittels wenigstens eines Modells eine Sauerstoffmenge
(MO22), die in die Brennkraftmaschine strömt, ausgehend
von wenigstens einer Stellgröße und wenigstens einer Meß
größe, die den Zustand der Luft in einem Ansaugrohr cha
rakterisiert bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
ausgehend von wenigstens einer Temperaturgröße (T2), ei
ner Druckgröße (P2), einer Drehzahlgröße (N), einer
Kraftstoffmengengröße (ME) und einer Luftgröße (ML21) die
Sauerstoffmenge (MO22) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperaturgröße (T2), die die Temperatur der Luft im
Ansaugrohr charakterisiert, die Druckgröße (P2), die den
Druck der Luft in dem Ansaugrohr charakterisiert, und die
Luftgröße (ML21), die die von außen in das Ansaugrohr
strömende Luftmenge charakterisiert, mittels Sensoren er
faßt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Luftmenge (MA), die durch eine Abgasrückführlei
tung strömt, durch Bilanzieren der Luftmenge in dem An
saugrohr ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Sauerstoffmenge (MMO2) in dem
Ansaugrohr ausgehend von wenigstens einer Sauerstoffmenge
(MO21), die von außen in das Ansaugrohr strömt, der Sau
erstoffmenge (MO22), die in die Brennkraftmaschine
strömt, und einer Sauerstoffmenge (MOA), die über die Ab
gasrückführleitung strömt, bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Sauerstoffmengen jeweils aus der entsprechenden Luft
menge und dem jeweiligen Sauerstoffanteil bestimmt wer
den.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Sauerstoffanteil (O31) der Luftmenge, die über
die Abgasrückführleitung strömt, mittels eines Verbren
nungsmodells bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sauerstoffmenge (MO22), die in
die Brennkraftmaschine strömt, ausgehend von wenigstens
der Sauerstoffmenge (MMO2) in dem Ansaugrohr, einer Luft
menge (MM2) in dem Ansaugrohr und einer Luftmenge (ML22),
die in die Brennkraftmaschine strömt, bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Luftmenge (ML22), die in die Brennkraftmaschine
strömt, ausgehend von wenigstens der Luftmenge (MM2) in
dem Ansaugrohr und der Drehzahl (N) bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Luftmenge (MM2) in dem Ansaugrohr ausgehend von
wenigstens der Temperaturgröße (T2) und der Druckgröße
(P2) bestimmt wird.
10. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine, die
mittels wenigstens eines Modells eine Sauerstoffmenge
(MO22), die in die Brennkraftmaschine strömt, ausgehend
von wenigstens einer Stellgröße und wenigstens einer Meß
größe, die den Zustand der Luft in einem Ansaugrohr cha
rakterisiert bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel
vorgesehen sind, die ausgehend von wenigstens einer Tem
peraturgröße (T2), einer Druckgröße (P2), einer Drehzahl
größe (N), einer Kraftstoffmengengröße (ME) und einer
Luftgröße (ML21) die Sauerstoffmenge (MO22) bestimmen.
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